Características de operación de una planta generadora de

La generación de energía eléctrica se realiza por medio de un generador eléctrico de corriente alterna, cuyo rotor va acoplado a una turbina de vapor que lo hace girar. En esta configuración la energía mecánica es producida en una turbina mediante la expansión de vapor de alta presión generado en una caldera convencional.

La forma en que se hace girar el rotor de la turbina es por medio de alabes montados al rotor y que al chocar con el flujo de vapor se ponen en movimiento transformándose así la energía cinética del vapor de energía mecánica, que será convertida en energía eléctrica en el generador. A su paso por los alabes de la turbina, el vapor va perdiendo presión hasta llegar a la última etapa, pasa al escape y va al condensador donde se condensa debido al contacto con la tubería adentro de la cual esta circulando agua fría.

Al condensarse el vapor se produce una presión de vacío que hace más eficiente el trabajo de la turbina, pues a la vez que evita la contrapresión permite que el vapor transformado en condensado sea alimentado de nuevo a la caldera para iniciar de nuevo el ciclo.

Generalmente, las plantas generadoras de potencia con vapor emplean el ciclo Rankine. Este ciclo se concibe como un recurso para emplear las características del agua, como fluido de trabajo y manejar el cambio de fase entre líquido y vapor.

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Realizando algunas modificaciones al ciclo Rankine simple se puede lograr un mejor aprovechamiento del vapor y por consiguiente, aumentar su eficiencia. Una forma consiste en sobrecalentar el vapor que sale de la caldera, mediante la circulación del vapor por tubos expuestos a los gases de combustión calientes o alguna otra fuente con una temperatura superior a la temperatura de saturación de la caldera, por consiguiente, el vapor que entra a la turbina tiene una entalpía superior a la del ciclo de Rankine simple.

El sobrecalentamiento del vapor que sale de la caldera tiene el efecto de elevar la calidad a la salida de la turbina hasta un valor superior al del caso de un ciclo con vapor saturado.

Una parte del vapor de la turbina se extrae a presiones diferentes en uno o más sitios de diversas etapas de la tubería y se pasa por uno o más calentadores del agua de alimentación. Esto se realiza para precalentar el agua de entrada a la caldera logrando mejorar la temperatura media termodinámica en la calefacción de la misma. Además, si se emplease todo el vapor, la calidad de la mezcla vapor –líquido que sale de la turbina y se condensa reducirá considerablemente, lo cual es un efecto indeseable.

2.1.1. Descripción de equipos

La planta de generación eléctrica se compone de diferentes equipos que funcionan en conjunto para que pueda funcionar, los cuales se describen a continuación.

17 2.1.1.1. Caldera

La caldera es del tipo Bigelow con una capacidad de 260,000 lbs/hr de generación de vapor. Opera a una presión de 850 psi, con una temperatura de 900 ºF.

La superficie calefactora esta formada principalmente por la superficie de caldeo por radiación que constituyen las cuatro paredes del hogar.

La caldera esta constituida principalmente por domos, el inferior, se le llama recipiente de lodos, es soportado a la caldera exclusivamente por los tubos curvos que están conectados al domo superior.

En el domo superior están montados los separadores de vapor y deflectores, los cuales separan las partículas de agua y el vapor, de la mezcla de ambos elementos que desde los tubos de evaporación llega al domo y sale al colector del sobrecalentador.

El suministro del agua de alimentación está en el mismo domo, que se reparte proporcionalmente a lo largo de él, por medio de una tubería que tiene unos orificios para la salida del agua se encuentra en la posición mas baja del nivel normal de agua de la caldera, con el fin de calentar de antemano el agua de alimentación, antes de hacer contacto con la superficie del domo.

La caldera tiene instalado un equipo de combustión, de tal manera que puede quemar opcionalmente bagazo, diesel o bunker. La combinación de estos combustibles puede utilizarse para el servicio, pero bajo ciertas condiciones.

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El suministro del aire para la combustión es a través de un ventilador de tiro forzado, que generalmente lo toma de la atmósfera y lo suministra en cantidades apropiadas según sea la relación, ya que varía ampliamente de acuerdo con los componentes del combustible y el poder calorífico. Sin embargo, la cantidad de oxigeno o aire necesario para producir una libra de vapor, es aproximadamente la misma para un mismo tipo de combustible.

La extracción de gases de combustión se hace por medio de dos ventiladores de tiro inducido y esta en función de la presión del hogar, la cual no varia en cualquier condición de carga manteniéndose una presión de columna estática de 2.5 “ H2O.

2.1.1.2. Turbina

Una turbina de vapor es una máquina que convierte la energía cinética lineal de un flujo de vapor a alta presión en movimiento rotacional transformándolo en trabajo útil mecánico.

Una turbina proporciona un flujo suave e ininterrumpido de potencia a altas velocidades de rotación, y proporciona un mejor uso de la energía calorífica en el vapor puesto que el metal de la turbina puede soportar la alta temperatura del vapor y descargar a una presión muy baja, lo que la incluye dentro de las turbinas de condensación.

La turbina es de 25,000 Kw. de potencia, es de tipo axial y gira a una velocidad de 3,600 RPM. Su presión de operación es de 850 psi a una temperatura de 900 ºF.

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Cuenta con toberas estacionarias que están situadas a la salida de la caja de vapor y teniendo tal forma que permiten que el vapor se expansione y alcance velocidades relativamente altas, por lo que esta velocidad es aprovechada para producir un movimiento a los alabes del rotor, absorbiendo así toda la energía cinética que lleva el flujo de vapor al salir de las toberas.

2.1.1.3. Re-calentadores

En el circuito del agua de alimentación se encuentran operando los siguientes equipos:

Intercambiadores de calor cerrados del tipo de carcaza y tubos; son calentadores de baja presión, montados horizontalmente en cascada y cuyo drenaje esta directamente conectado al condensador, el control se hace por medio de una válvula de acción automática, al aprovechar la diferencia de presiones.

Calentador abierto de contacto directo, que se calienta con una purga de la turbina, se utiliza como desaireador o desgasificador. El repuesto del agua al ciclo es controlado por el nivel del pozo caliente del condensador. El derrame por alto nivel descarga al tanque de agua de repuesto.

Calentadores de alta presión, del mismo tipo de los calentadores de baja presión, con montaje horizontal y sus drenes están conectados directamente al desaireador. Estos además envían el agua caliente al domo de la caldera.

20 2.1.1.4. Bomba de alimentación

La caldera cuenta con tres bombas centrifugas de alimentación de agua con la capacidad suficiente para soportar la producción máxima de vapor y las pérdidas dada la gran diversidad de intercambiadores de calor que existen en la cabeza dinámica total.

Una de las bombas posee el tipo de lubricación hidrostática, controlada con medidores de nivel; las dos restantes cuentan con un sistema de auto- lubricación, ya que en el eje está instalada una bomba de engranajes.

2.1.1.5. Condensador

El condensador que se utiliza en la central térmica es del tipo de tubos y carcaza. Esta compuesto por una carcaza tubular de gran diámetro. El interior de la carcaza tiene un gran haz de tubos por el interior de los cuales circula agua de refrigeración. El vapor entra por el exterior de la carcaza y rodea el haz de tubos. Como los tubos están más fríos que el vapor, este condensa. Las gotas de condensado que se forman en los tubos van cayendo al fondo de la carcaza. Allí se recolectan en un recipiente que recibe el nombre de “pozo caliente”.

Como la temperatura de condensación es muy inferior a 200 ºF y suele estar muy cercana a la temperatura ambiente, la presión dentro del condensador está por debajo de la presión atmosférica y típicamente está por debajo de los 2.95” Hg. absolutos. Esto hace que la máquina que opera entre la caldera y el condensador disponga de un mayor salto de presión utilizable.

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El objetivo del condensador es bajar la presión contra la cual descarga la turbina. Esto permite mejorar el rendimiento del ciclo, pues aumenta la diferencia de presiones entre las cuales opera la máquina. Para que esto se logre, el agua de refrigeración que circula por el condensador debe mantener una temperatura fría constante, de tal manera que el vacío que se forma en el condensador se mantenga a una presión de 27” Hg. El condensado con bajo contenido de minerales que se forma se utiliza como agua de alimentación de la caldera.

El condensador esta dividido en dos partes, lo que permite que pueda trabajar con la mitad de su capacidad total, pudiéndose así realizar el mantenimiento por partes sin necesidad de interrumpir la generación de energía eléctrica. Tiene además un sistema de retrolavado que permite su limpieza en caso quedaran partículas sólidas en la tubería.

Tiene una superficie de condensación de 30,000 pie2 para una capacidad de 190, 000,000 BTU/h y un condensado de 200,000 lb/h.

2.2. Torre de enfriamiento

En los sistemas de climatización modernos y en ciertos procesos industriales, se generan grandes cantidades de calor que hay que disipar al ambiente, haciendo necesario el empleo de agua para la refrigeración del sistema. Sin embargo, se tendrían grandes pérdidas al desechar el agua caliente.

Una alternativa que permite ahorrar agua y reducir los costos económicos consiste en enfriar el agua mediante una torre de enfriamiento y devolverla de nuevo al circuito. Las torres de enfriamiento son por lo tanto dispositivos que se usan para enfriar agua en grandes volúmenes, extrayendo el calor del agua mediante evaporación o conducción. El proceso es económico comparado con

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otros equipos de enfriamiento como los cambiadores de calor donde el enfriamiento es a través de una pared.

El agua se introduce por el domo de la torre por medio de vertederos o por boquillas para distribuir el agua en mayor superficie posible. El enfriamiento ocurre cuando el agua , al caer a través de la torre, se pone en contacto directo con una corriente de aire que fluye a contracorriente o a flujo cruzado, con una temperatura menor a la temperatura del agua, en estas condiciones el agua se enfría por transferencia de masa(evaporación) originando que la temperatura del aire y su humedad aumenten y la temperatura del agua descienda, la temperatura límite de enfriamiento del agua es la temperatura del aire a la entrada de la torre. Parte del agua que se evapora, causa la emisión de más calor, por eso se puede observar vapor de agua encima de la torre de enfriamiento.

Para crear un flujo hacia arriba, algunas torres de enfriamiento contienen aspas en la parte superior, las cuales son similares a las de un ventilador, estas aspas generan un flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de enfriamiento. Además, para conseguir una mayor eficiencia en estos aparatos se coloca interior un empaque con el propósito de aumentar la superficie de contacto entre el agua caliente y el aire que enfría.

Como se mencionó, el enfriamiento de agua en una torre tiene su fundamento en el fenómeno de evaporación, la evaporación es el paso de un líquido a estado de vapor y solo se realiza en la superficie libre de un líquido, un ejemplo es la evaporación del agua de los mares.

Las industrias utilizan agua de enfriamiento para varios procesos. Como resultado, existen distintos tipos de torres de enfriamiento, las cuales mencionaremos a continuación:

23 2.2.1. Clasificación

En la actualidad se emplean dos tipos de torres; el de tiro natural y el de tiro mecánico, el cual se divide en torres de tiro forzado y de tiro inducido, subdividiéndose este ultimo en flujo a contracorriente y flujo cruzado.

• Torres de tiro natural

Estas torres son esencialmente apropiadas para cantidades muy grandes de enfriamiento y las estructuras de concreto reforzado que se acostumbra a usar, llegan a tener diámetros de hasta 25 pies (7.62 m) y alturas de 340 pies (103.7 m).

La conveniencia de diseño obtenida gracias al flujo constante del aire de las torres de tiro mecánico no se logra en un diseño de torre de tiro natural. El flujo de aire a través de la torre de tiro natural se debe en su mayor parte a la diferencia de densidad entre el aire fresco de la entrada y el aire tibio de la salida.

El aire expulsado por la columna es más ligero que el del ambiente y el tiro se crea por el efecto de chimenea, eliminando con ello la necesidad de ventiladores mecánicos. Las torres de tiro natural operan comúnmente a diferencia de presión de aire en la región de 0.2 plg de manómetro de agua, cuando se someten a una carga plena. La velocidad media del aire por encima del relleno de torre es, por lo común de 4 a 6 pies/s (1.83 m/s).

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Figura 4. Torres de tiro natural.

• Torres de tiro mecánico

En este tipo de torres a diferencia de los de tiro natural, se requiere una serie de componentes, los cuales son necesarios para forzar el flujo de aire entrar al interior de la misma.

El agua caliente que llega a la torre puede distribuirse por boquillas aspersoras o compartimientos que dejan pasar hacia abajo el flujo de agua, a través de unos orificios.

El aire usado para enfriar el agua caliente es extraído de la torre, en cualquiera de las dos formas siguientes:

25 • Tiro mecánico inducido

En esta tipo de torres de enfriamiento, el aire es inducido por uno o más ventiladores situados en la parte superior de la torre.

Los ventiladores son movidos por sistemas mecánicos que generalmente incluyen reductores, ejes de transmisión y motor eléctrico.

Este tipo de torres a su vez pueden ser de flujo a contracorriente o de flujo cruzado.

• Torres de flujo a contracorriente

El flujo a contracorriente significa que el aire se mueve verticalmente, a través del relleno, de manera que los flujos de agua y de aire tienen la misma dirección pero sentido opuesto (Figura 5). La ventaja que tiene este tipo de torres es que el agua más fría se pone en contacto con el aire más seco, lográndose un máximo rendimiento. En éstas, el aire puede entrar a través de una o más paredes de la torre, con lo cual se consigue reducir en gran medida la altura de la entrada de aire. Además, la elevada velocidad con la que entra el aire hace que exista el riesgo de arrastre de suciedad y cuerpos extraños dentro de la torre. La resistencia del aire que asciende contra el agua que cae se traduce en una gran pérdida de presión estática y en un aumento de la potencia de ventilación en comparación con las torres de flujo cruzado.

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Figura 5. Torre de flujo a contracorriente

• Torre de flujo cruzado

En las torres de flujo cruzado, el aire circula en dirección perpendicular respecto al agua que desciende (figura 6). Estas torres tienen una altura menor que las torres de flujo a contracorriente, ya que la altura total de la torre es prácticamente igual a la del relleno.

El mantenimiento de estas torres es menos complicado que en el caso de las torres a contracorriente, debido a la facilidad con la que se pueden inspeccionar los distintos componentes internos de la torre. La principal desventaja de estas torres es que no son recomendables para aquellos casos en los que se requiera

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un gran salto térmico y un valor de acercamiento pequeño, puesto que ello significará más superficie transversal y más potencia de ventilación, que en el caso de una torre de flujo a contracorriente.

Figura 6. Torre de flujo cruzado

2.2.2. Componentes

La torre de enfriamiento generalmente se compone de una pileta, de una estructura de madera o de metal, de ventiladores y de empaquetaduras que a continuación se describen:

2.2.2.1. Pileta

Se trata de un recipiente donde se recolecta agua fría que sale de la torre de enfriamiento. Su construcción debe ser de tal manera que elimine el peligro de

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que la bomba absorba aire cuando opera con un mínimo de agua; tiene que ser accesible para remover la suciedad acumulada en el fondo.

2.2.2.2. Estructura

Básicamente es el soporte de la torre de enfriamiento. Su forma y solidez dependen de las características de diseño de la torre, la cual tiene que ser con normas específicas que dependen de su capacidad de funcionamiento.

2.2.2.3. Ventiladores

Dispositivo que tienen como objeto mantener el flujo constante de aire, a través de la torre. Esta parte difiere su posición dependiendo el tipo que sea, es decir las torres que son de tipo forzado, el ventilador esta ubicado en la parte baja; en cambio las torres de tipo inducido tienen el ventilador en la parte superior.

2.2.2.4. Empaquetadura

Esta parte es una de las importantes de las torres de enfriamiento, ya que su función principal es generar un área mayor de contacto entre el aire y el agua, con una mínima perdida de presión del aire. Existen dos tipos:

• De salpicadura

Este tipo de empaquetaduras están diseñadas para torres de flujo cruzado.

• De película

Este tipo es utilizado exclusivamente por las torres de flujo en contracorriente.

29 2.3. Sistema de circulación

Son todas las partes de la torre de enfriamiento, desde los equipos que envían el agua caliente hacia la parte superior, hasta un sistema de tubería distribuido a lo largo de la torre.

Cada tipo de torre tiene diferente forma de distribuir el agua caliente a través de ella, en este caso mencionaremos dos tipos, el de flujo a contracorriente y el de flujo cruzado.

• En las torres a contracorriente el flujo se dispersa a través de un sistema de distribución de spray a alta presión para lograr cubrir toda el área que cubre la empaquetadura.

El patrón de spray de las boquillas es sensible a los cambios en el flujo del agua y a los cambios de presión.

Este tipo de torres tienen un área de presión menor a las de flujo cruzado pero requieren altura adicional, altura estática y cabeza dinámica para alcanzar el mismo efecto de enfriamiento.

• Las torres a flujo cruzado utilizan un sistema diferente. El agua caliente es distribuida a través de unos pequeños orificios ubicados en el piso de la base de la entrada.

Tal sistema no tiene el mismo funcionamiento como el de los spray. El aire se mueve horizontalmente a través del empaque y se cruza con el agua que cae. En este tipo de torres el componente de presión interna de

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la cabeza de bombeo es insignificante debido a que el flujo es principalmente por gravedad.

Comparando las torres de flujo cruzando con las de contracorriente